Ядерное затемнение

Ядерное затемнение , также известное как затемнение огненного шара или затемнение радара , представляет собой эффект, вызванный взрывами ядерного оружия , который нарушает радиосвязь и приводит к затемнению или сильному преломлению радиолокационных систем, поэтому их больше нельзя использовать для точного слежения и наведения. Внутри атмосферы эффект вызван большим объемом ионизированного воздуха, создаваемого энергией взрыва, тогда как над атмосферой он обусловлен действием бета-частиц высокой энергии, высвобождаемых из распадающихся обломков бомбы. На больших высотах эффект может распространиться на большие территории, на сотни километров. Эффект постепенно исчезает по мере рассеивания огненного шара.

Этот эффект был известен с самых первых дней ядерных испытаний, когда радиолокационные системы использовались для отслеживания ядерных грибовидных облаков на очень больших расстояниях. Его расширенные последствия при взрыве за пределами атмосферы были впервые замечены в 1958 году в рамках ядерных испытаний Hardtack и Argus . что вызвало широкомасштабные радиопомехи, простирающиеся на тысячи километров. Эффект был настолько сбивающим с толку, что и Советы, и США нарушили неофициальный мораторий на испытания, действовавший с конца 1958 года, чтобы провести серию испытаний для сбора дополнительной информации о различных высотных эффектах, таких как затемнение и электромагнитный импульс (ЭМИ).

Отключение электроэнергии вызывает особую озабоченность в отношении систем противоракетной обороны (ПРО). Взорвав боеголовку в верхних слоях атмосферы сразу за пределами досягаемости оборонительных ракет, злоумышленник может закрыть большую область неба, за которой нельзя будет увидеть дополнительные приближающиеся боеголовки. Когда эти боеголовки выйдут из зоны затемнения, у защитной системы может не хватить времени для получения информации слежения и атаки на них. Это было серьезной проблемой для программы LIM-49 Nike Zeus в конце 1950-х годов и одной из причин, по которой она была в конечном итоге отменена. Ключевым открытием, обнаруженным в ходе тестирования, было то, что эффект исчезал быстрее на более высоких частотах. использовались радары, работающие на более высоких частотах в УВЧ и микроволновом В более поздних проектах противоракетной обороны для смягчения эффекта диапазоне.

Эффекты бомбы

В атмосфере

Это изображение испытательного выстрела Hardtack II Lea было сделано через миллисекунды после взрыва. Радиационный огненный шар уже сформировался, и расширяющаяся ударная волна продолжает расширение. Шипы внизу обусловлены эффектом трюка с веревкой .

Когда ядерная бомба взрывается вблизи уровня земли, плотная атмосфера взаимодействует со многими высвобождаемыми субатомными частицами. Обычно это происходит на небольшом расстоянии, порядка метров. Эта энергия нагревает воздух, быстро ионизируя его до раскаления и вызывая образование примерно сферического огненного шара за микросекунды.

На более медленной скорости происходит настоящий взрыв, который создает мощную ударную волну, движущуюся наружу. Энергии, выделяемой ударной волной, достаточно, чтобы сжать воздух и раскалить его, создав второй огненный шар. Этот второй огненный шар продолжает расширяться, минуя радиационный. По мере расширения количество энергии в ударной волне падает по закону обратных квадратов , при этом дополнительная энергия теряется за счет прямого излучения в видимом и ультрафиолетовом спектре. В конце концов ударная волна теряет так много энергии, что уже не нагревает воздух настолько, чтобы заставить его светиться. В этот момент, известный как отрыв , фронт ударной волны становится прозрачным, и огненный шар перестает расти.

Диаметр огненного шара бомбы, взорвавшейся над землей, можно оценить по формуле:

$D=(Y{\frac {\rho _{0}}{\rho }})^{\frac {1}{3}}$ километры

Где $Y$ - мощность в мегатоннах, а ${\frac {\rho _{0}}{\rho }}$ — отношение плотности воздуха на уровне моря к плотности воздуха на высоте. Так, бомба мощностью 1 мегатонна в тротиловом эквиваленте (4,2 ПДж) взорвалась на высоте взрыва около 5000 футов (1500 м). расширится примерно до 1 километра (3300 футов). Соотношение ${\frac {\rho _{0}}{\rho }}$ можно рассчитать в широком диапазоне, предполагая экспоненциальную зависимость:

${\frac {\rho }{\rho _{0}}}=e^{-{\frac {h}{22000}}}$

где $h$ — высота взрыва в футах. Таким образом, тот же взрыв на высоте 50 000 футов (15 000 м) будет иметь давление около 0,1 атмосферы, в результате чего образуется огненный шар диаметром порядка 2150 метров (7050 футов), что примерно в два раза больше, чем у земли. При взрыве на большой высоте, скажем, на высоте 250 000 футов (76 км) огненный шар расширится примерно до 46 километров (29 миль) в диаметре.

За пределами атмосферы

Обломки бомбы Старфиш Прайм следовали за магнитными линиями Земли, создавая этот веерообразный огненный шар. Ниже бета-частицы, выпущенные этими обломками, создают красный ионизационный диск, покрывающий большую часть неба.

Когда бомба взрывается за пределами атмосферы, обычно на любой высоте выше 100 километров (330 000 футов), отсутствие взаимодействия с воздухом меняет природу образования огненного шара. В этом случае различные субатомные частицы могут путешествовать на произвольные расстояния и продолжать опережать расширяющиеся обломки бомбы. Отсутствие атмосферы также означает, что ударная волна не образуется, и только сами светящиеся обломки бомбы образуют огненный шар. При такого рода взрывах огненный шар сам по себе не является серьезной проблемой для радара, но взаимодействие частиц с атмосферой под ними вызывает ряд вторичных эффектов, которые так же эффективно блокируют радар, как и огненный шар на малой высоте.

По простым геометрическим причинам около половины частиц, выброшенных в результате взрыва, будут двигаться к Земле и взаимодействовать с верхними слоями атмосферы, а другая половина — вверх, в космос. Частицы проникают в атмосферу на глубину в зависимости от их энергии:

Частицы	Энергия	Высота
обломки деления		150 километров
Рентгеновские лучи	4 кэВ	80 километров
бета-частицы	1 МэВ	60 километров
гамма-лучи	3 МэВ	30 километров
нейтроны	1 МэВ	30 километров

Два из этих эффектов особенно заметны. Первое связано с гамма-излучением, которое появляется в виде вспышки прямо под взрывом и быстро ионизирует воздух, вызывая огромный импульс движущихся вниз электронов. Нейтроны, прилетевшие чуть позже и растянутые во времени, вызывают аналогичные эффекты, но менее интенсивные и в течение несколько большего времени. Эти гамма-излучение и нейтроны являются источником ядерного электромагнитного импульса (ЭМИ), который может повредить электронику, не защищенную от его воздействия.

Второй важный эффект вызван бета-частицами высоких энергий. Они постоянно создаются в результате радиоактивного распада уранового тампера, окружающего термоядерную зону, поэтому величина этого эффекта во многом зависит от размера бомбы и ее физического рассеяния в космосе. Поскольку бета-излучения легкие и электрически заряженные, они следуют за магнитным полем Земли. Это возвращает движущиеся вверх бета-излучения обратно на Землю, хотя, возможно, и не в то же место.

В отличие от гамма-излучения, которое ионизирует только атомы, с которыми они сталкиваются, быстро движущееся бета-излучение индуцирует огромные магнитные поля в атомах, мимо которых они проходят, заставляя их ионизировать, одновременно замедляя бета-излучение. Таким образом, каждая бета может вызывать множественную ионизацию, а также сама по себе быть свободным электроном. Это вызывает гораздо больший, но растянутый импульс тока электронов с более низкой энергией, высвобождаемых из этих молекул воздуха. Поскольку реакция происходит на расстоянии от 50 до 60 км, в результате образуется диск ионизированного воздуха толщиной около 10 км и (обычно) в несколько сотен километров в поперечнике.

Кроме того, бета-излучения, движущиеся примерно параллельно магнитным полям Земли, будут пойманы и вызвать аналогичные эффекты там, где магнитное поле пересекает атмосферу. На любой заданной долготе есть два места, где это происходит, к северу и югу от экватора, и эффект максимизируется за счет взрыва бомбы в одном из этих мест, чтобы создать как можно более сильный сигнал в зоне магнитного сопряжения . Известный как эффект Христофилоса , он стал предметом серьезных исследований в конце 1950-х годов, но эффект оказался менее мощным, чем ожидалось.

Эффекты затемнения

связанная с атомами и молекулами, Квантовая механика, заставляет электроны естественным образом принимать набор различных энергетических уровней. Некоторые из них соответствуют фотонам разных энергий, включая радиочастоты. В металлах энергетические уровни расположены настолько близко, что электроны в них реагируют практически на любой радиочастотный фотон, что делает их отличными для антенн материалами . То же самое справедливо и для свободных электронов, но в этом случае собственных энергетических уровней вообще нет, и электроны будут реагировать практически на любой фотон.

В огненных шарах

Внутри ядерного огненного шара ионизирован воздух, состоящий из смеси ядер и свободных электронов. Последний настолько сильно преломляет радиоволны, что образует зеркальную поверхность, когда плотность электронов превышает критическое значение. По мере того, как огненный шар излучает энергию и охлаждается, ионы и электроны снова превращаются в атомы, и эффект медленно затухает в течение секунд или минут. Даже когда облако остывает, оно ослабляет сигналы, возможно, до такой степени, что оно становится бесполезным для использования радаром.

Полное отражение от огненного шара происходит, когда радиочастота меньше плазменной частоты :

$f_{p}=8970N_{e}^{\frac {1}{2}}$ Гц

где $N_{e}$ — количество свободных электронов на кубический сантиметр. Для сигнала с длиной волны 1 м (300 МГц) это происходит, когда плотность равна 10 ⁹ свободных электронов на кубический сантиметр. Даже при очень низких плотностях ионизация будет преломлять радиоэнергию. Затухание происходит за счет столкновений электронов с нейтралами согласно:

$F_{a}={\frac {8.686}{2c}}{\frac {(2\pi f_{p})^{2}f_{c}}{(2\pi f)^{2}+f_{c}^{2}}}=1.4$ × $10^{-5}{\frac {(2\pi f_{p})^{2}f_{c}}{(2\pi f)^{2}+f_{c}^{2}}}$ децибел/км

где 8,686 - коэффициент преобразования в коэффициент мощности в децибелах из неперного коэффициента амплитуды, $c$ скорость света в километрах в секунду, $f_{p}$ - плазменная частота, как указано выше, $f$ - частота радиосигнала, а $f_{c}$ – частота электрон-нейтральных столкновений. Последнее является функцией плотности и, следовательно, высоты:

$f_{c}=2$ × $10^{11}{\frac {p}{p_{0}}}$ Гц

где $p$ – плотность воздуха на высоте взрыва, $p_{0}$ — плотность на уровне моря (1 атм). Поскольку огненный шар может расширяться на сотни километров на большой высоте, это означает, что типичное затухание на 1 дБ на километр из-за огненного шара на средних и больших высотах, который расширяется до 10 км, полностью ослабит сигнал, что затруднит отслеживание объектов на дальних расстояниях. сторона невозможна.

За пределами атмосферы

Последствия экзоатмосферного бета-выброса оценить труднее, поскольку многое зависит от геометрии всплеска. Однако определить плотность продуктов деления и, следовательно, связь между размером ионизационного диска и его силой можно, рассматривая выход продуктов при взрыве $Y$ в мегатоннах:

$y={\frac {Y}{2\pi d^{2}}}$ тонн/единица площади

где $d$ - диаметр диска для данного взрыва.

Срок службы затемнения

Когда взрыв происходит в атмосфере, огненный шар быстро формируется и первоначально выделяет значительную энергию в виде видимого и ультрафиолетового света. Это быстро охлаждает огненный шар примерно до 5000 °C, после чего процесс охлаждения значительно замедляется. С этого момента основной эффект охлаждения осуществляется за счет теплопередачи с окружающей воздушной массой. Этот процесс занимает несколько минут, а поскольку на больших высотах воздуха меньше, огненный шар остается ионизированным в течение более длительных периодов времени.

На больших высотах, от 100 000 до 200 000 футов (30–60 км), плотность воздуха недостаточна, чтобы оказать существенное влияние, и огненный шар продолжает радиационно остывать. Обычно процесс описывается константой излучательной рекомбинации , $C_{r}$, что составляет около 10 ⁻¹² кубические сантиметры в секунду. Если начальная плотность электронов равна 10 ¹² , плотность 10 ⁹ электронов/см ² не произойдет до 1000 секунд, около 17 минут.

При чисто внеатмосферных взрывах бета-излучение, вызывающее затемнение диска, постоянно образуется в результате деления обломков бомбы. Это зависит от периода полураспада реакций порядка секунд. Чтобы поддерживать отключение электроэнергии, необходимо удовлетворить уравнению:

$yt^{-1.2}>10^{-2}$

Чтобы создать полное затемнение, с помощью 10 ⁹ свободных электронов на кубический сантиметр, требуется около 10 тонн продуктов деления на квадратный километр. Этого можно достичь с помощью одной типичной бомбы мощностью 1 Мт.

Затемнение и противоракетная оборона

Затемнение представляет собой особую проблему в системах противоракетной обороны, где этот эффект можно использовать для поражения наземных радаров за счет создания больших непрозрачных областей, за которыми невозможно увидеть приближающиеся боеголовки. В зависимости от времени реакции перехватчиков это может сделать их бесполезными, поскольку приближающиеся боеголовки появляются слишком поздно, чтобы перехватчик смог выследить цель и запустить ракету.

Для перехватчиков малой дальности, таких как Sprint , затемнение не является серьезной проблемой, поскольку весь перехват происходит на дальностях и высотах ниже, где огненные шары становятся достаточно большими, чтобы заблокировать значительную часть неба. При номинальной дальности полета «Спринта» в 45 километров (28 миль) его собственная боеголовка в несколько килотонн создаст огненный шар диаметром около 1 километра (3000 футов), что представляет собой угол (1 км / 45 км). ² ≈ 0,0005 стерадиан (ср). На той же высоте взрыв мощностью 1 Мт создал бы огненный шар диаметром порядка 10 километров (6 миль), или около 0,05 ср, что все еще не является серьезной проблемой.

Только атака, состоящая из нескольких десятков крупных боеголовок, будет достаточно значимой, чтобы вызвать проблемы у перехватчика ближнего радиуса действия. Но то же самое произошло бы и с боеголовками ракет-перехватчиков, если бы они взорвались рядом друг с другом, что было бы типичным, поскольку «необходимо было запустить более одной оборонительной ракеты по каждому приближающемуся опасному объекту... [чтобы] обеспечить достаточно высокую вероятность [ ] убить». Такие проблемы исследовались в серии испытаний «Операция Доминик» 1962 года . В результате этих испытаний был сделан вывод, что единственным решением такого профиля атаки было бы использование нескольких радиолокационных систем, объединяющих их вместе, и выбор той из них, которая обеспечивает наиболее четкий обзор целей. Это значительно увеличило бы стоимость системы ПРО, поскольку радары были одними из самых дорогих компонентов таких систем, как Nike-X .

Против ракет большей дальности, таких как «Спартан» , эти же высотные взрывы представляли собой более серьёзную проблему. В этом случае ожидалось, что ракета будет осуществлять перехват на дальности до 500 километров (300 миль), то есть на расстояние, для достижения которого потребуется некоторое время. Одиночный взрыв за пределами атмосферы может покрыть эту территорию диском диаметром до 400 километров (250 миль) на высоте около 60 километров (40 миль). Боеголовка, появившаяся из-за этого сигнала, была бы слишком близко, чтобы «Спартанец» мог атаковать ее своей рентгеновской боеголовкой, которая рассчитывала на взрыв, происходящий вне атмосферы. Обороне придется либо бороться с последующими боеголовками с помощью их оружия ближнего действия, такого как «Спринт», либо атаковать каждую приближающуюся боеголовку на большом расстоянии на случай, если она может стать частью такой затемняющей атаки. Сложные атаки с множественными отключениями электроэнергии вызывали определенную озабоченность.

Существует прямая зависимость между длиной волны радара и размером антенны, необходимой для обеспечения заданного разрешения. Это означает, что использование более высоких частот для поисковых радаров имеет преимущество, поскольку они смогут обнаружить объект заданного размера, например боеголовку или фрагменты ракеты-носителя, с помощью антенны меньшего размера. Однако, как правило, дешевле генерировать радиоэнергию на более низких частотах, что компенсирует недостаток разрешения за счет создания более мощных радаров. Компромисс между этими двумя эффектами требует тщательной оптимизации.

Отключение радаров еще больше запутывает эти проблемы. Приведенной выше формуле свойственен тот факт, что более высокие частоты затемняются на более короткое время. Это предполагает, что радары дальнего действия должны использовать как можно более высокую частоту, хотя это сложнее и дороже. США Первоначально PAR был разработан для работы в диапазоне ОВЧ, чтобы он мог быть чрезвычайно мощным и при этом относительно дешевым, но на этапе проектирования он был перенесен в регион УВЧ, чтобы смягчить этот эффект. Даже тогда оно будет сильно ослаблено.

Это означает, что внеатмосферные взрывы очень эффективны против радаров дальнего действия, таких как ФАР или советский «Днестр» . Одиночная боеголовка мощностью 1 Мт, взорванная на высоте 250 км, будет иметь дальность полета около 600 километров (400 миль) с учетом типичных траекторий, и можно ожидать, что она создаст ионизационный диск диаметром 300 километров (200 миль). Судя по радару, это будет угол (300 км/600 км). ² ≈ 0,3 ср, чего достаточно, чтобы скрыть любые боеголовки, приближающиеся по аналогичным траекториям. Это позволило бы, например, одной боеголовке из определенного ракетного поля скрыть все последующие из того же поля. Хотя это не повлияет напрямую на работу перехватчиков, поскольку они находятся за пределами досягаемости даже «Спартанца» очень дальнего действия, такие операции могут серьезно нарушить направление рейда и общее планирование боя. Более того, поскольку взрыв происходит за пределами досягаемости перехватчиков, простых способов его остановить не существует.

Значительная неопределенность

Хотя приведенные выше формулы, вероятно, будут полезны для закулисных обсуждений, следует учитывать, что фактических испытаний этих эффектов было проведено мало из-за различных запретов на испытания. За всю историю испытаний в США только семь испытаний с соответствующим оборудованием было проведено в верхних слоях атмосферы на высоте от 10 до 25 километров (33 000–82 000 футов), что подходит для поздней стадии отключения электроэнергии, и только два испытания были проведены на экзоатмосферных высотах. . Ни одно из этих испытаний не содержало множественных всплесков, которые можно было бы ожидать от любой атаки, намеренно вызывающей затемнение.

Ссылки

Библиография

• Bell Labs (октябрь 1975 г.). Исследования и разработки ABM в Bell Laboratories, история проекта (технический отчет) . Проверено 13 мая 2015 г.
• Блейдс, Дэвид; Сиракузы, Джозеф (2014). История ядерных испытаний США и их влияние на ядерную мысль . Роуман и Литтлфилд. ISBN  9781442232013 .
• Канаван, Грегори (2003). Противоракетная оборона в XXI веке (PDF) . Фонд наследия. ISBN  0-89195-261-6 .
• Картер, Эштон; Шварц, Дэвид (1984). Противоракетная оборона . Издательство Брукингского института. ISBN  9780815713128 .
• Констант, Джеймс (2013). Основы стратегического оружия: системы нападения и защиты . Спрингер. ISBN  9789401506496 .
• Гарвин, Ричард; Бете, Ганс (март 1968 г.). «Системы противоракетной обороны» (PDF) . Научный американец . 218 (3): 21–31. Бибкод : 1968SciAm.218c..21G . doi : 10.1038/scientificamerican0368-21 .
• Мок, Джон (январь – февраль 1966 г.). «Высотные ядерные эффекты» . Обзор воздушного университета .
• Последствия ядерной войны (PDF) . Управление Конгресса США по оценке технологий. Май 1979 года.